Органические солнечные батареи: Органические солнечные батареи

Содержание

Органические солнечные батареи: эффективности и особенности структуры

Современные органические солнечные батареи являются образцом одной из самых перспективных технологий преобразования солнечной энергии. Основные сферы, где она применяется уже сегодня – потребительская электроника, жилой и коммерческий сектор, оборонная промышленность.

Специалистами прогнозируется, что объём рынка такой фотовольтаики в 2021 году составит более 2,5 млрд. USD. На протяжении последних 5-6 лет появляются все новые изделия на органической основе. В их числе не только гибкие пленки, но и тенты, полупрозрачные навесы, зонты, палатки, сумки, светопреобразующие волокна, ткани и другие.

Органические солнечные батареи – структура, виды и материалы

Все описанные в различных источниках перспективные фотоэлектрические панели на базе органики делятся на два основных вида.

1. «Слоистый», в котором активные компоненты наносятся на подложки отдельными слоями. Как видно на фото (тип «а») в качестве примера показана структура органической «слоистой» солнечной батареи. Ее состав – отдельные плёнки на базе диселенида меди/индия/галлия/селена (CIGS).

Прогрессивным методом нанесения CIGS является метод печати, основанный на использовании суспензии частиц оксидов металлов – «чернил». С учётом вязкости, зависящей от размеров частиц и их концентрации, возможно использование метода трафаретной печати или струйного осаждения.

2. «Гетеропереходной» (тип «б»). Данный вид органических солнечных батарей – это панели из смеси графена и полимера с обычным гетеропереходом. В их структуре присутствует только один фотоактивный слой, являющийся смесью «донора» фуллерена и полимерного «акцептора».

Первый вариант наиболее востребован авиационной, космической и оборонной промышленностью, в связи с более высоким КПД, достигающим сегодня 25-27%. Второй вариант обещает стать настоящим прорывом для наземного коммерческого и бытового использования, благодаря низкой стоимости и простоте внедрения.

Характеристики, достоинства и перспективы

Важнейшими характеристиками третьего поколения фотовольтаики являются:

толщина порядка 1 мм;
высокая прочность и устойчивость к внешним факторам;
легкость нанесения на все виды материалов;
возможность быстро изготавливаться на бесконечно длинных лентах – так называемые рулонные органические солнечные батареи;
различная светопропускная способность, вплоть до почти полной прозрачности;
предельно малый вес;
экологическая безопасность для окружающей среды и здоровья окружающих.

В настоящее время исследования и разработки новых органических солнечных батарей наиболее интенсивно проводятся в США, Германии, Японии, Китае и России. Основным направлением работ являются создание и совершенствование материалов для их изготовления. Конечная цель – сделать поглощающие энергию солнца элементы:

более эффективными;
многофункциональными,
быстрыми и простыми в изготовлении;
с максимально длительным сроком эксплуатации;
легкими и дешевыми;
разнообразными по форме.

Сферы применения

Таковых уже сейчас можно насчитать более десятка.

Ряд компаний предлагает купить полупрозрачные и прозрачные органические солнечные батареи из графена, которые можно наносить на внешнюю сторону оконных стекол. Это позволяет решать одновременно две задачи – сохранять уровень светопропускания и осуществлять выработку электроэнергии.
Еще одним интересным предложением являются фотоэлектрические элементы в виде прочных тканевых волокон. Специалисты прогнозируют, что спустя всего 7-10 лет в источник электричества можно будет превратить любую ткань. А пока их массово начинают вплетать в одежду, обувь, сумки и прочие популярные аксессуары.
Следующим перспективным направлением является переход с кремниевых на органические солнечные батареи для автомобилей и самолетов. Купить такие виды транспорта можно во многих странах мира.
Обязательно придет этот вид фотовольтаики в сферу автомобильного, лодочного и пешего туризма. Во время длительных походов, поездок или сплавов по рекам демонстрирующая очень высокий КПД в условиях слабого освещения органика незаменима.

Повышение производительности батарей из органических материалов

Пока рулонные органические солнечные батареи проигрывают «классике» в уровне эффективности. Для изменения данной тенденции инженеры находят разные способы, из которых более прочих распространены два.

Способ №1 – Тандемные ячейки

Одной из проблем «солнечной» органики являются слабые молекулярные связи. Решение ученые нашли в создании тандемных ячеек, каждый слой которых состоит из органических материалов разного типа и поглощает различные длины волн.

Лидером разработок этого направления является китайский физик Чен Йонг Шен и его группа. По утверждению профессора, производительность фотоэлектрических элементов этого класса уже через 3-4 года может вырасти на 30-40%.

Способ №2 – солнечные батареи на органических красителях из бактерий с измененной ДНК

Первыми применять бактерии с модифицированным геномом начали канадцы. С 2018 года они экспериментируют с микроорганизмами вида E.coli, известными своей способностью производить ликопин.

Биохимики из университета Торонто смогли внедрить бактерии в минеральный порошок с полупроводниковыми свойствами. При помещении на подложку такие «биогенные» элементы начали давать ток за счет своей жизнедеятельности.

Пока солнечные батареи на органических красителях не получили широкого распространения. Но их важным достоинством является теоретически почти бесконечный срок жизни. Ведь многие поколения бактерий постоянно будут сменять друг друга, и при правильно подобранных условиях колония на подложке может жить и давать ток сколь угодно долго.

Рекорд КПД нынешней фото органики составляет 25% — причем при сверхслабой освещенности всего 220 люкс (аналог довольно темной комнаты). Разработчики новинки – CEA (Франция) и Toyobo Co., Ltd (Япония).

Ученые узнали, что делает работу органических солнечных батарей эффективнее

Ученые узнали, почему работа недорогих и легких в изготовлении органических солнечных батарей становится более эффективной при введении добавок, повышающих светочувствительность (сенсибилизаторов). Полученные данные помогут глубже понять процессы, протекающие в органических солнечных батареях, что, соответственно, приведет к увеличению их коэффициента полезного действия. Над исследованием работали ученые Института высокомолекулярных соединений (ИВС) РАН в сотрудничестве со специалистами из Института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина (ИФХЭ) РАН и зарубежными коллегами. Исследования проходят в рамках госзадания Минобрнауки России «Синтез функциональных фото- и электроактивных полимеров».

Органические солнечные батареи предназначены для преобразования энергии Солнца в электрическую. По сравнению с традиционными кремниевыми солнечными батареями они обладают существенными преимуществами: низкой стоимостью, малым весом, механической гибкостью, простотой производства, доступностью и нетоксичностью сырья. Поэтому в последние десятилетия органические батареи привлекают все больше внимания.

Однако эффективность стандартных образцов органических солнечных батарей составляет всего 7-8%, а лучших — примерно 18%, в то время как коэффициент полезного действия промышленных образцов кремниевых солнечных батарей — более 25%. Поэтому ученые разрабатывают новые составы для органических батарей и занимаются вопросами повышения эффективности уже существующих.

За время работы над органическими солнечными батареями исследователи выяснили, что способствует улучшению их характеристик: введение в структуру рабочего слоя различных сенсибилизирующих добавок, таких как квантовые точки, красители и др. Квантовыми точками называют фрагменты проводника или полупроводника, носители заряда которого ограничены в пространстве по всем трем измерениям. Введение неорганических квантовых точек в стандартные фотовольтаические смеси (донор + акцептор) не только способствует повышению их эффективности, но и увеличивает долговечность и стабильность батарей.

Несмотря на то, что механизм преобразования солнечной энергии в электрическую хорошо изучен, до сих пор не исследован сам процесс взаимодействия полимера (донора электронов), производных фуллерена (акцептора электронов) и сенсибилизаторов в рабочем слое органических солнечных батарей.

Ученые ИВС РАН с помощью метода диэлектрической спектроскопии впервые исследовали молекулярную подвижность полимера в составе трехкомпонентной фотовольтаической смеси донор-акцептор-сенсибилизатор. Оказалось, что квантовые точки, взаимодействуя с макромолекулами полимера, увеличивают подвижность его боковых групп. Это приводит к более интенсивному распаду квантов солнечной энергии в рабочем слое органических солнечных батарей на носители заряда (электроны и дырки), их перемещению и накоплению на соответствующих электродах. Именно это приводит к повышению эффективности батарей.

«Мы надеемся, что полученные результаты будут способствовать более глубокому пониманию процессов, протекающих в органических солнечных батареях, что, в свою очередь, приведет к созданию нового поколения ОСБ, более долговечных и сравнимых по эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую с кремниевыми солнечными батареями. Это позволит в ближайшем будущем заменить кремниевые солнечные батареи экономически и экологически более выгодными органическими солнечными батареями», — прокомментировал Сергей Бронников, заместитель директора по научной работе ИВС РАН, доктор физико-математических наук, профессор.

Работы в этом направлении продолжаются: планируется исследовать молекулярную подвижность полимера (донора электронов) в активном слое фотовольтаической ячейки, содержащей, кроме производного фуллерена (акцептор электронов), сенсибилизатор — краситель, повышающий эффективность работы органических солнечных батарей. В качестве красителя предполагается использование металл-порфириновых комплексов.

Результаты исследования опубликованы в высокорейтинговом журнале Physical Chemistry Chemical Physics.

Исследования в области органической фотогальваники | Министерство энергетики

Изображение

Министерство энергетики финансирует проекты исследований и разработок, связанные с органической фотоэлектричеством (OPV), благодаря уникальным преимуществам этой технологии. Ниже приведен список проектов, краткое изложение преимуществ и обсуждение производства и производства этой солнечной технологии.

Справочная информация

Органические фотоэлектрические (OPV) солнечные элементы призваны обеспечить изобилие Земли и низкоэнергетическое фотоэлектрическое (PV) решение. Эта технология также имеет теоретический потенциал для производства электроэнергии по более низкой цене, чем солнечные технологии первого и второго поколения. Поскольку для создания цветных или прозрачных устройств OPV можно использовать различные поглотители, эта технология особенно привлекательна для рынка фотоэлектрических систем, интегрированных в здания. Органические фотогальваники достигли эффективности около 11%, но ограничения эффективности, а также долгосрочная надежность остаются серьезными препятствиями.

В отличие от большинства неорганических солнечных элементов, в элементах OPV используются молекулярные или полимерные поглотители, что приводит к локализованному экситону. Поглотитель используется в сочетании с акцептором электронов, таким как фуллерен, энергетические состояния молекулярных орбиталей которого облегчают перенос электронов. При поглощении фотона образующийся экситон мигрирует к границе между поглотителем и материалом-акцептором электронов. На границе энергетическое несоответствие молекулярных орбиталей обеспечивает достаточную движущую силу для расщепления экситона и создания свободных носителей заряда (электрона и дырки).

Направления исследований

Низкая эффективность ячеек OPV связана с их малыми длинами диффузии экситонов и низкой подвижностью носителей. Эти две характеристики в конечном итоге приводят к использованию тонких активных слоев, которые влияют на общую производительность устройства. Кроме того, срок службы модулей OPV остается значительно ниже, чем у неорганических устройств.

Текущие исследования сосредоточены на повышении эффективности и срока службы устройств. Существенный прирост эффективности уже достигнут за счет улучшения материала поглотителя, и проводятся исследования для дальнейшей оптимизации поглотителей и разработки органических многопереходных архитектур. Усовершенствованная герметизация и альтернативные контактные материалы изучаются, чтобы уменьшить деградацию клеток и увеличить срок службы ячеек до отраслевых значений.

Узнайте больше о лауреатах и проектах, связанных с органическим фотоэлектрическим оборудованием, ниже.

Университет Флориды (исследования и разработки в области фотогальваники: небольшие инновационные проекты в области солнечной энергетики)
Принстонский университет (проекты в области фотогальваники следующего поколения 2)
Университет Мичигана (проекты в области фотогальваники следующего поколения 2)
Университет Мичигана (проекты в области фотогальваники следующего поколения) 3 проекта)

Преимущества

Преимущества, обещанные солнечными батареями OPV, включают:

Недорогое производство: Растворимые органические молекулы позволяют использовать технологии рулонной обработки и обеспечивают низкозатратное производство.
Изобилие материалов: Широкое изобилие материалов для строительных блоков может снизить ограничения предложения и цены.
Гибкие подложки: Возможность нанесения на гибкие подложки обеспечивает широкий спектр применения.

Производство

Клетки ОПВ делятся на два класса:

Клетки низкомолекулярных ОПВ
Полимерные клетки OPV

Низкомолекулярные клетки OPV используют молекулы с широким поглощением в видимой и ближней инфракрасной части электромагнитного спектра. В качестве электронодонорной системы обычно используются системы с высоким уровнем сопряжения, такие как фталоцианины, полиацены и сквадрены. В качестве электроноакцепторных систем часто используют периленовые красители и фуллерены. Эти устройства чаще всего создаются путем вакуумного осаждения для создания двухслойных и тандемных архитектур. Недавно были разработаны низкомолекулярные системы, обработанные раствором.

Полимерные клетки OPV используют длинноцепочечные молекулярные системы в качестве электронодонорного материала (например, P3HT, MDMO-PPV), а также дериватизированные фуллерены в качестве электроноакцепторной системы (например, PC ₆₀ BM, PC ₇₀ БМ). Подобно низкомолекулярным клеткам OPV, эти системы имеют малую длину диффузии экситонов. Однако это ограничение обходится за счет большой площади интерфейса внутри активного устройства.

Сенсибилизированные красителем солнечные элементы представляют собой гибридную органическую и неорганическую технологию, в которой используются низкомолекулярные поглотители красителей. Эти красители адсорбируются на подходящем электроноакцепторном материале, таком как диоксид титана или оксид цинка, вместе с электролитом для регенерации красителя.

Органические фотоэлектрические солнечные элементы | Photovoltaic Research

NREL обладает мощными дополнительными исследовательскими возможностями в области органических фотоэлектрических систем (OPV).
клетки, прозрачные проводящие оксиды, комбинаторные методы, молекулярное моделирование
методы и атмосферная обработка.

От фундаментальных физических исследований до прикладных исследований, связанных с потребностями солнечной энергетики,
мы разрабатываем материалы, конструкции устройств и инструменты, необходимые для создания полимерных
гибкие, легкие и недорогие солнечные элементы. Наша основная работа сосредоточена
по исследованию фотоэлектрических (PV) элементов. Но наши успехи в понимании и создании
новые материалы и процессы также применяются в таких областях, как органические светоизлучающие
диоды и дисплеи на тонкопленочных транзисторах.

При разработке устройств OPV NREL делает успехи в материалах, осаждении и обработке
материалов и изготовление устройств в условиях температуры и давления окружающей среды.

OPV — быстро развивающаяся фотоэлектрическая технология с повышением эффективности ячеек (в настоящее время
сертифицировано 18,2 %), что способствует увеличению срока службы (более 10 лет без инкапсуляции) и
продемонстрировал потенциал рулонного производства с использованием обработки раствором.
рынок фотоэлектрических систем, интегрированных в здания, может найти OPV особенно привлекательным из-за доступности
поглотителей любого цвета и возможность изготовления эффективных прозрачных устройств.

Большая сила OPV заключается в разнообразии органических материалов, которые могут быть разработаны
и синтезированы для поглотителя, акцептора и интерфейсов, но нам нужно дополнительно
повысить эффективность масштабирования и срок службы модулей большой площади. Мы должны понять
основы работы устройства, включая процессы разделения заряда, перенос заряда
механизмы, физика устройств и межфазные эффекты. Это позволит нам спроектировать
более эффективные, стабильные архитектуры устройств на основе материалов с улучшенным энергетическим уровнем
выравнивание, спектральный отклик и транспортные свойства.

Наш опыт

Ученые NREL используют эту систему покрытия для изготовления пленок OPV в лаборатории.

У нас есть опыт в следующих областях:

Осаждение из раствора органических и неорганических тонких пленок методом центрифугирования, распылением,
покрытие лезвия, микрогравюрная печать и покрытие щелевого штампа
Осаждение тонких пленок напылением и осаждением с помощью импульсного лазера с соответствующей характеристикой,
возможности анализа и картографирования
Высокопроизводительное комбинаторное материаловедение
Крупномасштабное молекулярно-динамическое моделирование молекулярных пленок и смесей молекулярных материалов
Расширение производства НИОКР.

Наши исследователи изобрели и передали технологии ОПВ в промышленность, и мы
разрабатывать ячейки с улучшенными характеристиками, надежностью и экономичностью. Кроме того,
члены нашей группы являются ключевыми организаторами и участниками отраслевых конференций,
такие как Совещание по органической фотогальванике и Международный саммит по стабильности OPV.

Области исследований

Перенос заряда между поглотителями углеродных нанотрубок и акцепторами фуллеренов. Такие исследования
предоставить информацию о потерях энергии, необходимых для разделения заряда в OPV и
информировать о разработке материалов для будущих систем ОПВ (см. http://www.nrel.gov/news/press/2016/25678.html).

Наши исследования и разработки направлены на решение основных задач в следующих областях:

Новые поглощающие, контактные и барьерные материалы
Мы разрабатываем и применяем новые высокоэффективные поглощающие материалы для повышения производительности.
и срок службы, уделяя особое внимание улучшению фотонапряжения и устойчивости к фотоокислению.
Новые контактные слои электронов/дырок
У нас есть ученые и инструменты для объединения молекулярного дизайна с вычислительными
ресурсы с органическим синтезом для разработки новых акцепторов и доноров для улучшения устройства
производительность и срок службы.
Механизмы деградации материалов и устройств
Мы исследуем и демонстрируем новые материалы и архитектуры устройств, которые снижают
деградации, что приводит к повышению стабильности устройства. Мы разработали комбинаторный
система деградации, которая позволяет нам измерять срок службы тонкопленочных устройств под
света, при различной температуре подложки, с фильтрами или без них, или при различных
рабочие циклы. Эта система позволяет нам оценить срок службы большого количества
образцы в одинаковых или различных условиях параллельным образом. Кроме того, наш
система анализа солнечных параметров позволяет получить уникальный набор характеристик долговременной надежности
на отдельных фотоэлементах.
Механизмы и зависимость от движущей силы переноса заряда между донором и акцептором
материалы
Мы изучаем фундаментальные механизмы переноса заряда между фотоактивными полимерами
и инженерные молекулы фуллерена или углеродные нанотрубки.

Инструменты и возможности

У нас есть ресурсы и ученые для НИОКР в области ОПВ, включая тонкопленочные
осаждение, высокопроизводительные комбинаторные методы и атмосферная обработка.

Быстрое вычислительное проектирование новых поглотителей
NREL разработала вычислительную базу данных для материалов активного слоя для органических фотоэлектрических солнечных элементов с расчетами электронных свойств десятков тысяч новых полимеров и
небольшие молекулы, которые являются потенциальными кандидатами на роль новых поглотителей.
Крупномасштабное атомистическое моделирование (~100 000 атомов) структуры твердотельной полимерной пленки
и морфология
Набор инструментов STREAMM позволяет моделировать пленочные структуры новых молекул в полуавтоматическом режиме.
для быстрого скрининга потенциальных поглотителей.
Фемтосекундная фотолюминесценция, нестационарное поглощение и нестационарная терагерцовая спектроскопия
Эти методы позволяют нам изучать динамику экситонов и носителей заряда и
изучить перенос заряда на интерфейсах.
Нестационарная микроволновая проводимость
Этот уникальный инструмент чрезвычайно чувствителен к свободным носителям заряда и позволяет
очень чувствительное исследование генерации носителей и переноса заряда при
интенсивности света.
Осаждение из раствора органических и неорганических тонких пленок
и щелевое покрытие со следующими возможностями:
- Термический испаритель, помещенный в инертную среду, доступную для испарения металла
  для комплектации устройств
- Имитатор солнечной энергии, внешний блок квантовой эффективности, зонд Кельвина, зондовая станция,
  и спектроскопия импеданса в инертной атмосфере
- Вытяжка для возможностей органического синтеза.
Долгосрочное тестирование стабильности
Команда OPV использует систему для тестирования долгосрочной стабильности сотен прототипов
ячейки параллельно, чтобы быстро проверять новые материалы и концепции устройств на предмет стабильности.
Атмосферная обработка
- Это снижает общую стоимость и масштабируемость производства фотоэлектрических систем.
- Мы разрабатываем «чернила» и процессы преобразования чернил для создания желаемых материалов с желаемыми свойствами.
  характеристики.
- Мы разрабатываем перерабатываемые в атмосфере материалы, включая металлы, полупроводники,
  и оксиды.
Автономная обработка атмосферы
- Настольный струйный принтер для тестирования чернил и коммерческие струйные принтеры
- Ультразвуковые распылительные станции
- Машина для нанесения покрытий по листам с прорезями
- Рулонное напыление с микрогравюрной печатью и щелевым покрытием
- Лазерная разметка для обеспечения монолитного соединения и удаления краев

Projects

SunLAMP Управления энергоэффективности и возобновляемых источников энергии
FY2016–FY2018

Целью этой работы является разработка высокоэффективных, стабильных солнечных элементов OPV с
двойной акцент на компьютерном прогнозировании морфологии пленки и характеристик переноса заряда
а также по выявлению и смягчению общих путей деградации полимеров.

Управление фундаментальных энергетических наук

Основная программа солнечной фотохимии занимается изучением фундаментальных аспектов солнечной энергетики.
фотопреобразование, включая экситонные эффекты, перенос заряда и перенос заряда
между слоями. Фундаментальное понимание переноса заряда между органическими материалами
и новые экситонные процессы, такие как синглетное деление, находятся в центре внимания в рамках одного
основных направлений основной программы.

Соглашение о совместных исследованиях и разработках

Компания SolarWindow Technologies Inc. разрабатывает прозрачную OPV, вырабатывающую электроэнергию.
пленка для стекла и гибких пластиков. Покрытия SolarWindow™ при нанесении на окно
стекла, могут превратить здания в электростанции, что является ближайшей целью.

Органические солнечные батареи: Органические солнечные батареи — все самое интересное на ПостНауке

Закрытое акционерное общество
Институт «Севзапэнергомонтажпроект»